高效率F类对讲机功率放大器的设计与实现

Ｐｄｃ＝‰ｋ＝÷‰ｌｐｋ＝Ｐ。ｕｔ
因此理想Ｆ类放大器的效率为１００％。 Ｆ类放大器的功率利用因子为
ＰＵＦ＝涤毪＝鲁
它的最大输出功率比Ａ类放大器高约１．０５ ｄＢ［３］。
２ 电路设计
为了满足设计指标，电路采用两级单端功率放 大器级联结构，图１为功率放大器结构框图。
图１功率放大器结构框图
ｒｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ
集成电路设计与开发
Ｉ）ｅｓｉｇｎ ａｎｄ ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＩＣ
高效率Ｆ类对讲机功率放大器的设计与实现
南敬昌，刘磊
（辽宁工程技术大学电子与信患工程学院，辽宁葫芦岛１２５１０５）
摘要：研究了Ｆ类射频功率放大器的电路结构与工作原理，并设计了一个工作频段为４０５— ４１５ ＭＩ－Ｉｚ、输出功率为３０ ｄＢｍ、功率附加效率达到６５％的高效率低谐波失真的Ｆ类对讲机功率放 大器。为了达到设计指标，设计采用了一些特殊的方法，包括采用两级单端结构功率放大器结 构、Ｆ类功率放大器输出匹配网络，并针对谐波失真过大进行了片外滤波器的设计，有效地滤除 了谐波（各阶谐波小于一６９ ｄＢｅ）。最后采用２肚ｍ ＧａＡｓ ＨＢＴ工艺Ｆ类对讲机功率放大器，经过对 实际芯片的测试证明结果完全满足设计指标。
Ｑ鱼罩巍ｄ‘霉叶西霹高科山皇目》
３５ ３０
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｌａｓｓ Ｆ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｓｉｎｇｈ ｅｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｏｕｔｐｕｔ ｍａｔｃｈ ｎｅｔ；ＴＨＤ；ｆｄｔｅｒ ｏｕｔ，．ｏｆ ｃｈｉｐ ～
ＥＥＡＣＣ：１２２０
０ 引言
无线电对讲机的应用非常广泛，即时沟通、一 呼百应、经济实用、运营成本低、不耗费通话费 用、节约使用方便，同时还具有组呼通播、系统呼 叫、机密呼叫等功能。在处理紧急突发事件中，在 进行调度指挥中其作用是其他通信工具所不能比拟 的。无线电对讲机和其他无线通信工具（如手机） 其市场定位各不相同，难以互相取代，还将长期使 用下去。数字通信可以提供更丰富的业务种类、更 好的业务质量、更好的保密特性、更好的连接性和 更高的频谱效率…。
对于一个单片集成射频功率放大器，良好的版 图设计十分重要。因为通过并联ＨＢＴ管的电流很 大，ＨＢＴ管特性微小的不同，或者位置放置的微小 差错都会导致在个别管子不平衡的热效应。在此设 计中，把管子画成一排来平衡输入、输出相位补偿。 为了减少耦合，射频线的距离不应太近，最好可以 用直流线隔开。两级管子不要共用一个地孔，因为 地孔到衬底的耦合效应等效为电感，使两级管子之 间产生反馈，严重影响功率放大器的性能。片上螺 旋电感和走线要采用上层金属，可以减少电阻线本 身的寄生电阻，同时减少衬底与电感之间的电磁场 耦合在衬底中引入的损耗［５］。设计规则要严格按照 ＴｒｉＱｕｉｎｔ公司提供的设计手册要求。电路版图面积为
５６０肿×５４０弘ｍ。
５实验结果与讨论
为了测试芯片的性能，需要对ＰｃＢ测试版进行 细致的设计，防止测试时对芯片性能产生影响。射 频电路ＰＣＢ的设计应考虑电磁兼容性，在这里主要 讨论一下板材的选择和一些重要走线的处理方法， 并应用Ｐｒｏｔｅｌ ９９ ｓＥ对其进行了设计。
印制电路板的基材主要有有机类与无机类两大 类，而基材中最重要的性能是介电常数，它影响电 路阻抗及信号传输速率，对于高频电路，介电常数 公差是首要考虑的更关键因素，应选择介电常数公 差小的基材［引。本设计中采用的是ⅪＭ板材，２层
南敬昌 等：高效率Ｆ类对讲机功率放大器的设计与实现
波形中将包含有各奇次谐波成分，它是一个理想的 方波。由于晶体管集电极看到的各高阶奇次谐波阻 抗为无穷大，而各高阶偶次谐波阻抗为０，因此流 过开关的电流中仅包含有基频频率成分和各高阶偶 次谐波成分。在传统功率放大器分析中，已经知道 Ｂ类放大器中流过输出晶体管的电流就仅具有这些 成分，因此Ｆ类放大器流过开关的电流波形与Ｂ类 放大器的电流波形一样，也是半个周期的正弦波。 流过开关电流中的基频成分在负载ＲＩ．上产生输出功 率，而其他高阶偶次谐波成分则由ＬＣ并联谐振网络 短路到地，因此负载上的电压波形和电流波形都是 理想的正弦波，没有谐波损耗ｔ２】。
Ｉｎｔｅｒｐｈｏｎｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
１２５１０５，‰） Ｎａｎ Ｊｉｎｇｃｈａｎｇ，Ｌｉｕ Ｌｅｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ旷Ｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，忱Ｄ，嘞Ｔ∞ｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｌｕｄａｏ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｌａｓｓ Ｆ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａ ｈｉｓｈ
图３输出匹配网络仿真结果
魄．３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｍａｔｃｈｉｎｓ
３ 电路仿真与谐波优化
本次设计采用Ａｇｉｌｅｎｔ公司的ＡＤＳ软件对电路进
行了仿真和优化，晶体管采用２肿ＧａＡｓ ＨＢＴ工艺
的Ｃ．ｕｍｍｅｌ—Ｐｏｏｈ模型，这里不再对模型的建立与参 数的提取进行讨论，把重点放在仿真的结果和电路 的优化方面【４Ｊ。对以上设计电路进行仿真后得到以 下结果，虽然在输出功率、增益和效率方面已经满 足设计要求，但是谐波失真仍然较大，不能满足设 计要求。所以，这里对谐波失真进行了优化，在片
２９６半导体技术第３４卷第３期
万方数据
设计难点在于高效率、低谐波的设计目标，因 此电路采用了开关模式功率放大器中的Ｆ类工作模 式，并对谐波进行了优化。图２为Ｆ类功率放大器 输出滤波器网络。
图２ Ｆ类功率放大器输出滤波器网络
Ｆｉｇ．２ Ｏｕｔｐｕｔ ｍ砒ｃｈｉｒ唱ｏｆ Ｃｌａｓｓ Ｆ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ
耋．－６∞０
富－ｌ∞
葛－１２０
景－１４０
皇－ｌ∞
奁 －１８０
－３０—２５．２０—１５一１０ －－５
０
５
ＰＪｄＢｍ
（ｃ）！ｚ国％Ｐｈ
图５优化后的仿真结果
心．５ ｓｉｌ删ｌ砒ｉ加ｒｅｓｕｌｔ．曲肼叩ｔｉｎｌｉｚｉ鸣
Ｍａｔｃｈ ２ＤＤ９
万方数据
４版图设计
版图设计使用Ｃａｄｅｎ∞公司的软件工具Ｙｆｆｔｕｏｓｏ。 器件采用ＴｎＱｕｉｍ公司提供的２弘ｍ ＧａＡｓ ＨＢＴ工艺。 其中放大电路中使用的晶体管采用射频模型，这样 可以提高设计射频电路的准确性。
为了满足输出功率１ Ｗ的设计指标，输出阻抗 尺州选择５ Ｑ。由于要提高效率，设计的输出网络为 Ｆ类功率放大器采用的输出滤波器网络，这个网络 的特点是：晶体管工作时，在高阶奇次谐波频率处， 从晶体管漏端看到的高阶奇次谐波阻抗为无穷大， 即开路；在高阶偶次谐波频率处，从晶体管漏端看 到的高阶偶次谐波阻抗为０，即短路。图３为输出匹 配网络的仿真结果，从仿真结果可以看出，输出网 络对二次谐波进行了滤除，二阶谐波的阻抗很小， 接近Ｏ Ｑ；三阶谐波的阻抗很大，可视其为无穷大， 满足设计的理论要求。
１ Ｆ类功率放大器工作原理
Ｆ类功率放大器使用输出滤波器对晶体管集电 极电压或者电流中的谐波成分进行控制，归整晶体 管集电极的电压波形或者电流波形，使得它们没有 重叠区，减小开关的损耗，提高功率放大器的效率。
如果驱动信号是一个占空比为５０％的方波信 号，晶体管可近似作为一个理想开关，集电极看到 的基频阻抗为ＲＬ，高阶奇次谐波阻抗为无穷大，而 高阶偶次谐波阻抗为０。因此晶体管集电极的电压
晶体管集电极电压的峰值为２‰，基频成分的
幅度为
ｎ＝｛‰
（１）
如果流过开关的电流峰值为，ｐｋ，则这个电流中 的基频成分和直流成分分别为
／１＝垒２
‰＝每
晶体管的宽度应根据最大电流要求，口ｋ来确定。
而优化负载阻抗值为
。
Ｖｔ ８‰
１‘ｏｐｔ一，１一兀‘，ｋ
Ｆ类放大器的输出功率为
７
１
Ｐ砌＝÷‰‰
电源提供的直流功耗为
功率放大器的设计对于对讲机的性能有着重要 的影响。针对对讲机对饱和输出功率、功率附加效 率、谐波失真等几个特性指标要求较高的特点，设
Ｍａｒｃｈ ２００９
万方数据
计采用Ｆ类功率放大器工作模式来提高效率，针对 设计过程中谐波失真过大的问题，提出了一种谐波 失真的优化方法，来满足低谐波失真的设计指标。 最后采用２弘ｍ ＧａＡｓ ＨＢＴ工艺实现了高效率Ｆ类对 讲机功率放大器。
２００９年３月
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外又专门设计了５０皿５０ Ｑ的滤波器，在不改变功率 放大器其他指标的同时滤除谐波，以满足设计要求。 图４为片外滤波器原理图。
Ｔｅｒｍ Ｔｃｒｍｌ Ｎｕｍ＝Ｉ Ｚ每５０Ｑ
Ｔｅｒｍ Ｔｃｒｎｌ２
Ｎｕｍ＝２
弘５０ Ｑ
图４片外滤波器网络
Ｆｉｇ．４ Ｆ／］ｔｅｒ ｏｕｔ ｏｆ ｃｈｉｐ
板，板厚ｌ嘲。射频走线要遵循５０ Ｑ传输线的设计
原则，对于不同板材，可以用Ａｐｐｃ８ｄ软件来计算线 宽和线到地距离，在满足射频走线为５０ ｎ的条件
下，走线线宽为４０咖，线到地距离３０衄，同时在
射频线两侧要尽量多的打上地孔，位置靠近传输线 但不超出地铜箔，意在利用多层铜箔通过过孔并联 获得较低阻抗和较短的高频电流传输路径。
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｌｏｗ ＴＨＤ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ｉｎｔｅｒｐｈｏｎｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｗ８８ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｏｒｋｉｎｇ ａｔ ４０５－４１５ ＭＩ－ｈ， ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ３０ ｄＢｍ，ａｎｄ ＰＡＥ ６５％，８０ｍｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｔｗｏ－ ｓｔａｇｅ ｓｉｎｇｌｅ ｅｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｏｕｔｐｕｔ ｍａｔｃｈ ｎｅｔ ｏｆ Ｃｌａｓｓ Ｆ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｏｕｔ ｏｆ ｃｈｉｐ ｆｉｈｅｒ ｆｏｒ ｂｉｇ ＴＨＤ，ｄｉｓｐｏｓｉｎｇ ｔｈｅ ＴＨＤ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ（ＴＨＤ ｉｓ ｕｎｄｅｒ一６９ ｄＢｅ）．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ Ｃｌａｓｓ Ｆ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｗｉｔｈ ２ ｐｍ ＧａＡｓ ＨＢＴ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｆｔｅｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｃｈｉｐ，ｉｔ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｕｌｆｉｌｌ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｇｏａｌ．
图６为电源电压为３．６ Ｖ时实际芯片的测试结 果，从图中可以看出工作频率为４１０ ＭＨｚ时输出功
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耋为３０ ｄＢｍ，２窖竺翌篓，为６６％，各阶谐波均小
于一６９ ｄＢｃ，满足设计指标。
ｐ．／ｄｎｍ （－）ＴＢＤ¨Ｐｃ
６ 结…。论
本文简要介绍了Ｆ类射频功率放大器的工作原 理，设计了一个电源电压为３．６ Ｖ，工作频段为４０５ ～４１５ ＭＨｚ，输出功率为３０ ｄＢｍ的Ｆ类对讲机功率 放大器，在谐波失真较大时提出了一种优化的方 法，明显改善了谐波失真。功率放大器的工艺采用 ２ ｐＪｎ ＧａＡｓ ＨＢＴ工艺。功率放大器电路采用Ａｇｉｌｅｎｔ 公司的ＡＤＳ软件对电路进行了仿真和优化，并给 出了仿真结果；采用Ｃａｄｅｎｃｅ公司的软件工具 Ｖｉｒｔｕｏｓｏ对版图进行设计，最终给出实际芯片的测 试结果，其中在４１０ ＭＨｚ的工作频率下，输出功率 为３０ ｄＢｍ，增益为２２ ｄＢｍ，功率附加效率为６６％， 各阶谐波均小于一６９ ｄＢｍ，完全满足设计指标。
关键词：Ｆ类射频功率放大器；单端结构；输出匹配网络；谐波失真；片外滤波器 中图分类号：ＴＮ７２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３．３５３Ｘ（２００９）０３．０２９５．０４
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｃｌａｓｓ Ｆ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ
图５为优化后的整个功率放大器的仿真结果。 从图中可以看出，输出功率大于３１ ｄＢｍ，效率达到 ６７％，二次谐波乃至其他高次谐波均被滤除，小于 一６９ ｄＢｃ，满足设计指标。
（＿）ＰⅫｗ Ｐｈ
（Hale Waihona Puke Baidu）叩眦％凡
ｍ３５ Ｐａｖｓ＝－Ｉ．０００ Ｗｔｏｄｂｍ（Ｐｏｕｔ＿Ｗ．ＨＢ２）－Ｗｔｏｄｂｍ０，ｏｕｔ＿ｗ＿Ｉ－ｍ）＝－６９．７５３